世界各國(guó)政府都在推動(dòng)私家車和商用車車主轉(zhuǎn)向更環(huán)保的替代品，例如電動(dòng)汽車 (EV)。但是，進(jìn)行此更改的最大障礙之一是車輛續(xù)航里程問題。大多數(shù)中低檔 EV 可以在需要充電之前完成數(shù)次行程。但是，如果您計(jì)劃長(zhǎng)途旅行，在途中為 EV 充電仍然需要比為內(nèi)燃機(jī)車輛加油更多的時(shí)間。

該行業(yè)正在努力通過開發(fā)可與為內(nèi)燃機(jī)車輛加油相媲美的快速直流充電解決方案來(lái)縮短充電時(shí)間。與使用家用交流電的 EV 車載充電器 (OBC) 不同，快速直流充電器繞過 OBC，直接向 EV 的電池充電電路提供能量。而且，與交流充電器不同，此類充電器可以在短短 10 分鐘內(nèi)將電動(dòng)汽車充電至 80% 的電量。

電動(dòng)汽車快速直流充電器

當(dāng)前的快速直流充電器提供 35kW 至 50kW 的功率，工作電壓高達(dá) 800V。最高功率的充電器通常安裝在高速公路服務(wù)站。您的 EV 能否吸收這樣的能量取決于它的設(shè)計(jì)和電池。當(dāng)今大多數(shù)電動(dòng)汽車的充電功率都限制在 300kW 以下。

對(duì)于如此高功率和電壓的應(yīng)用，存在許多工程挑戰(zhàn)。這些范圍從安全性和可靠性到可維護(hù)性、效率、尺寸和成本——包括運(yùn)營(yíng)和采購(gòu)。迄今為止，設(shè)計(jì)方法一直依賴于硅 IGBT 和 MOSFET。然而，由于引入了寬帶隙半導(dǎo)體，例如 Wolfspeed 的碳化硅，碳化硅 MOSFET 正迅速成為功率開關(guān)的首選。

EV 充電器轉(zhuǎn)向碳化硅 MOSFET

快速直流充電器的核心可以分為兩個(gè)關(guān)鍵塊：

AC/DC 級(jí)，將輸入交流電轉(zhuǎn)換為直流鏈路電壓

為 EV 電池提供直流電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

此外，還有支付機(jī)制、人機(jī)界面和連接元素。此類充電器的功率傳輸部分由多個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊通常為總功率提供 15kW 至 50kW 的功率。

圖 1：用于 EV 快速直流充電器的電源轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化框圖。（來(lái)源：Wolfspeed）

盡可能高的效率和功率密度是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使工程師能夠交付更小、更輕的模塊，同時(shí)散熱挑戰(zhàn)更少。

采用 Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 的有源前端

對(duì)于 AC/DC 級(jí)，有源前端 (AFE) 是使用六個(gè)開關(guān)頻率為 20kHz 的硅 IGBT 實(shí)現(xiàn)的常見拓?fù)?。這樣一個(gè) 22kW AFE 級(jí)有望實(shí)現(xiàn) 97.2% 的可觀峰值效率。然而，功率密度約為 3.5kW/L，熱設(shè)計(jì)元件占系統(tǒng)成本的 20%。

這就是設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)向基于碳化硅的設(shè)計(jì)的原因。與硅基替代品相比，碳化硅 MOSFET的 R DS(ON)隨溫度升高而增加的幅度較小。在應(yīng)用的工作溫度下，由于 R DS(ON)低于硅，因此散熱較低。Wolfspeed WolfPACK ?電源模塊中的 Wolfspeed 1200V CCB021M12FM3 等設(shè)備帶有 21mΩ 碳化硅 MOSFET，是 AFE 拓?fù)涞慕^佳選擇。

這種碳化硅 MOSFET 還可以在高達(dá) 45kHz 的更高開關(guān)速度下運(yùn)行，與基于 IGBT 的 AFE 相比，可以使用更小的扼流圈。此外，由于由此產(chǎn)生的散熱量減少，散熱成本僅占系統(tǒng)總成本的 10%。

圖 2：具有 Wolfspeed WolfPACK?電源模塊的 25kW 雙向 AC/DC AFE適用于快速直流充電器設(shè)計(jì)。（來(lái)源：Wolfspeed）

還提供適用于快速直流充電器應(yīng)用的 25kW AFE 參考設(shè)計(jì) CRD25AD12N-FMC。由于使用了 Wolfspeed WolfPACK ?三相配置模塊，這種雙向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 98.5% 的峰值效率和 >4.6kW/L 的功率密度。

從硅 MOSFET 到 DC/DC 級(jí)碳化硅

碳化硅也在 DC/DC 階段取代硅。在 DC/DC 諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器中工作頻率約為 100kHz 的硅基開關(guān)可達(dá)到 97.5% 的峰值效率和 3.5kW/L 的功率密度。然而，功率要求通常需要交錯(cuò)設(shè)計(jì)，這會(huì)增加組件數(shù)量和復(fù)雜性。

通過采用分立器件（例如Wolfspeed C3M0032120K）的碳化硅 MOSFET 設(shè)計(jì)，開關(guān)速度可以提高到高達(dá) 250kHz。這些四引腳 TO-247-4 封裝的碳化硅 MOSFET 還提供開爾文引腳。在硬開關(guān)、大電流和高頻拓?fù)渲校@有助于減少串?dāng)_和開關(guān)損耗。因此，與使用三引線碳化硅器件相比，這些損耗最多可降低四倍。諧振 CLLC 參考設(shè)計(jì) CRD-22DD12N 在 22kW 雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中僅使用八個(gè)分立式碳化硅 MOSFET。作為快速 EV 充電器設(shè)計(jì)的一部分，它可以在 8kW/L 的功率密度下實(shí)現(xiàn)超過 98.5% 的峰值效率。

圖 3：這種雙向 DC-DC 參考設(shè)計(jì)利用了 Wolfspeed 的 C3M0032120K 分立式碳化硅 MOSFET 的性能。（來(lái)源：Wolfspeed）

用于快速直流充電器應(yīng)用的碳化硅

隨著未來(lái)十年電動(dòng)汽車用戶群的增長(zhǎng)，對(duì)更快“加油”速度的需求也會(huì)增加。Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 等寬帶隙材料是解決方案，與依賴硅功率器件技術(shù)的等效設(shè)計(jì)相比，它具有更低的損耗、更少的散熱并實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

審核編輯：湯梓紅